ERFARINGER MED IN-SITU THERMAL DESORPTION (ISTD) PILOTTEST I SKULDELEV

ERFARINGER MED IN-SITU THERMAL DESORPTION (ISTD) PILOTTEST I SKULDELEV Projektleder Niels Ploug Krüger A/S Civilingeniør Charlotte Bay Schleiter Region Hovedstaden ATV MØDE VINTERMØDE OM JORD- OG GRUNDVANDSFORURENING VINGSTEDCENTRET 6. - 7. marts 2007

RESUMÉ Frederiksborg Amt har udpeget 2 metoder til oprensning af et omfattende hot-spot med PCE, henholdsvis opgravning eller termisk behandling ved In Situ Thermal Desorption (ISTD). Med henblik på at indhente designparametre til fuldskaloprensning med ISTD, har Krüger udført en pilottest med 4 varmeboringer. Testen viste at det i de mere lavpermeable aflejringer 0 4 m.u.t. var muligt at opnå kogning. Vandgennemstrømningen i et udbredt sand/gruslag på toppen af leren, hvor den primære forurening findes, hindrede dog en effektiv opvarmning heraf. I forbindelse med en fuldskala oprensning skal der derfor etableres en robust afskæring af indstrømmende vand. Testen forløb succesfuldt helt uden mekaniske og elektriske problemer. INDLEDNING I Skuldelev, i det tidligere Frederiksborg Amt, er der fundet store mængder frit produkt af tetrachlorethylen (PCE). På kildegrunden har der i perioden 1955 til 1983 været maskin- og elektronikvirksomhed, der har anvendt chlorerede opløsningsmidler i fremstillingsprocessen. Det er skønnet, at der i forbindelse med produktionen er ledt ca. 2.000 til 6.000 liter PCE i kloakken. TV-inspektioner viser, at kloaksystemet flere steder er utæt og er derfor en af årsagerne til forureningsspredningen til jorden. Hotspot området dækker et areal på ca. 425 m 2, og strækker sig ind under en bygning og ud under et gadekær. Amtet har gjort sig nogle overvejelser over, hvordan denne forurening kan fjernes bedst muligt. To aktuelle afværgemetoder i Skuldelev er opgravning og termisk opvarmning med varmelegemer. Inden man igangsætter en større omkostningstung oprydning, er det vigtigt at få afklaret om en eventuel mulig afværgemetode virker på den pågældende lokalitet og om metoden er attraktiv i forhold til andre metoder. FORMÅL I forbindelse med, at Frederiksborg Amt har overvejet ISTD til fuldskalaoprensning var et af formålene at skaffe yderligere designinformation om boringsafstande, vurdering af grundvandstilstrømningens indflydelse på opvarmningen og ekstraktionsmetoder. Et andet væsentlig aspekt ved at udføre ISTD pilottesten var at dokumentere metodens mekaniske bestandighed under de ekstreme forhold udstyret udsættes for ved opvarmning af chlorerede opløsningsmidler til flere 100 grader. Da projektet var den første ISTD opvarmning udført i Danmark under licens fra TerraTherm Inc., var et af Krügers interne formål at afprøve det etablerede anlæg med hensyn til funktionalitet, og afdække forskellige elektriske forhold.

BAGGRUND Geologi og forurening Som nævnt er der på lokaliteten sket en lækage med chlorerede opløsningsmidler, der blandt andet er spredt via kloaksystemet og har forårsaget et hot-spot på ca. 425 m 2. Den primære forureningskomponent er PCE. Geologien i hot-spot området består, i de øverste 5-6 meter, af vekslende lag med ler og sand med varierende tykkelse. Omkring 5 meter under terræn ligger et tykt gennemgående lerlag, der afgrænser et sekundært magasin. Under gadekæret og langs bredden findes moseaflejringer. Se figur 1. Figur 1. Geologisk tværsnit. (Udført af NIRAS Juni 2006) Fra bunden af det sekundære sandmagasin har det været muligt at oppumpe ca. 1.300 liter fri fase PCE. PCE koncentrationerne opløst i vandet i hotspot området ligger mellem 10-360 mg/l. Grundvandsspejlet findes i testområdet omkring 0,8 m.u.t. Metode beskrivelse ISTD teknologien er oprindeligt udviklet af Shell til optimering af olieudvinding. Senere har Shell anvendt metoden til in-situ oprensning og udtaget en række patenter herpå /1/. Metoden udbydes nu kommercielt af det amerikanske firma TerraTherm Inc., hvor igennem Krüger har opnået sublicens til udførelse af teknologien. Metoden er baseret på samme princip som andre termiske oprensningsteknologier, nemlig det faktum, at stigende temperaturer øger forskellige stoffers fordampelighed og dermed flygtighed. Det der blandt andet adskiller de termiske teknologier er måden hvorpå varmen distribueres i jorden, og dermed også hvilke geologiske scenarier metoderne hver især er velegnet til. ISTD adskiller sig fra de øvrige termiske teknologier ved at der kan opnås

temperaturer på op til 650 ºC, hvilket betyder at selv højere kogende forureningsforbindelser kan fjernes. Forureningsfjernelsen sker ved både fordampning, dampdestillation, hydrolyse, oxidation og pyrolyse. Opvarmningen med ISTD sker ved, at et varmelegeme installeres i et lukket metalrør i en traditionel vertikal boring. Selve varmelegemet består af en metalstang med en kendt modstand. Ved at påføre varmelegemet en spænding afpasset modstanden svarende til en strøm på ca. 190 Amp opnås en afsat effekt på ca. 0,6 kw pr. m varmelegeme, eller 1,2 kw pr. varmeboring da varmelegemet ligger dobbelt. Varmen fra varmelegemet (700 900 ºC) stråler ud på metalrøret, der opvarmes. Som følge af varmeledningsevne vil varmen fra metalrøret udbredes i den omkringliggende jord. Da varmeledningsevnen er uafhængig af permeabilitet udbredes varmen i selv meget tætte jordarter og/eller inhomogene aflejringer. I figur 2 er gengivet en principskitse for opbygning af varmeboringer, ekstraktionsfiltre og terrænisolering. Figur 2. Princip for ISTD varmeboringer I forbindelse med opvarmning skabes typisk en meget varm tør zone omkring varmeboringen. Her opnås temperaturer i området 500 650 ºC. I den tørre gruskastede zone rundt om boringerne opsamles de opstigende fordampede stoffer ved ventilation. Ligeledes sker der i denne zone en termisk destruktion af en del af forureningskomponenterne. Eksempelvis vil der ved nedbrydning af chlorerede forbindelser kunne ske en vis dannelse af HCl. Det er derfor et yderst aggressivt miljø, hvor der stilles store krav til de anvendte materialer. For at mindske varmetabet ved terræn samt for at opsamle eventuelle opstigende dampe, som ikke opsamles ved varmeboringerne, udlægges en isolerende membran, der holdes under svagt vakuum. Den opsugede luft fra det opvarmede område køles gennem en køleflade. Eventuelt laves en ph justering ved indblæsning af base i luftstrømmen inden køling. Efterfølgende behandles luften i aktivt kul, termisk oxidizer eller andre luftbehandlingsteknolgier. Vand i form af kondenseret damp samt medrevne dråber pumpes normalt gennem en henstandstank, hvor eventuel fri fase adskilles inden vandet behandles gennem aktivt kul før udledning.

Ved oprensning af chlorerede opløsningsmidler vil et typisk ISTD forløb være: Opstart af en eventuel hydraulisk kontrol efterfulgt af vakuumventilation. Opvarmning til måltemperatur (100 ºC) efterfulgt af en kogeperiode, hvor det kalkulerede dampvolumen ekstraheres. Opvarmningen afsluttes med udtagning af intakte jordkerner til dokumentation inden der slukkes for varmen. PILOTTEST Pilottesten blev startet d. 25.10.2006 og skulle forløbe indtil måltemperaturene i området var opnået (100 ºC) eller i maksimalt 60 dage. I forbindelse med testen anvendtes et på lokaliteten eksisterende vakuumventilationsanlæg (SVE). Derudover opstilledes et ISTD anlæg, til forsyning af varmelegemerne med den rette spænding og regulering af den afsatte effekt. Anlægget styrer og overvåger endvidere den samlede proces: køling, vakuumventilation etc. Setup Som tidligere beskrevet findes et udbredt hotspot område. Det oprindelige oplæg til pilottesten var etablering af 8 varmeboringer, hvoraf 1 var centralt placeret i midten. I samarbejde med Frederiksborg Amt blev det af økonomiske årsager dog besluttet at testen bestod af 4 varmeboringer. Til gengæld blev det prioriteret at etablere et relativt stort antal termofølere i forskellige dybder og temperaturmoniteringspunkter. Til hydraulisk kontrol blev der forsøgsvist pumpet på et antal af de eksisterende opstrøms beliggende boringer (KB34 KB39). Området overdækkedes med et 10 cm gruslag overdækket af en membran og afsluttet med 220 mm styrolit isolering. I figur 3 er gengivet en situationsplan for testområdet. Figur 3. Situationsplan for test område. Varmeboringer symboliseres ved HW, temperaturmonitering ved T og eksisterende filtersatte boringer KB.

De 4 varmeboringer udførtes som 6 snegleboringer og førtes alle til 6,5 m.u.t. Boringerne udbyggedes med et 108 mm damprør lukket i bunden. I dette rør installeredes en liner lukket i bunden af AIS304 rustfrit stål. Til temperaturmåling ved varmeboringen installeredes i hele længden et ½ rustfrit rør. I gruskastningen installeredes henholdsvis et ¾ og et 1 rustfrit ventilationsrør (se figur 4). AISI 304 liner Cold pin Øvre ekstraktionsfilter - 1 Ydrerør - 108 mm sort stål Varmelegeme Gruskastning Dyb ekstraktionsfilter - ¾ Termoføler - ½ rør Beton (Storebæltsblanding) Figur 4. Principskitse af varmeboring til pilottesten I varmeboringerne installeredes 4 varmelegemer på hver 6,8 m hvoraf den øverste meter er cold pin, det vil sige, at der her ikke sker nogen egentlig opvarmning. De 4 varmelegemer blev forbundet i en kreds og påtrykt en spænding på ca. 140 V. Med en fast strøm på ca. 190 Amp afsættes således ca. 1,1 kw pr. meter varmeboring. Denne effekt er erfaringsmæssigt tæt på det maksimale jorden normalt kan lede. Moniteringsprogram For at følge og styre temperaturudbredelsen ved varmeboringerne installeredes ved hver af disse 2 stk termofølere: 3 m.u.t. og 6 m.u.t. I de nævnte temperaturmoniteringspunkter installeredes generelt termofølere i 3 dybder: 2 m.u.t., 4 m.u.t. og 5,5 m.u.t. Det opstillede moniteringsprogram omfattede foruden temperaturmålinger analyser af den opsugede luft, oppumpet vand fra den hydrauliske kontrol, kondenseret damp, pejlinger, opgørelse af kw forbrug til henholdsvis opvarmning, køling og vakuumventilation. Pilottesten afsluttedes med, at der blev udført intaktkerne prøvetagning i 2 punkter. Prøverne blev udtaget i teflon liner, der umiddelbart efter udtagning blev forseglet og kølet ned til ca. 10 ºC i henhold til /2/.

Observationer under pilottesten For at få et overblik over testforløbet gennemgås her kort hvilke markante observationer der skete under testforløbet. Efterfølgende diskuteres resultaterne fra testen. D. 25.10.2006 blev SVE anlægget startet med et flow 65 m 3 /t. Den hydrauliske kontrol blev startet i KB35 og KB 36. ISTD anlæggets transformer blev koblet ind på forsyningsnettet, og der blev sat spænding på de 4 varmeboringer. For at sikre en rolig opstart uden termisk chok på anlæggets komponenter blev effekten ud i varmelegemerne gradvist skruet op fra 10 100 % over 6 dage. Ved fuld belastning var effekten 28 kw på de 4 varmeboringer svarende til 1,2 kw/m varmeboring. Efter ca. 2 ugers opvarmning konstateredes i flere punkter en stagnation af varmeudbredelsen ligesom der konstateredes væsentlig større fjernelse af vand end forventet fra ekstraktionsfiltrene. Ved en energiberegning blev det klart, at der blev fjernet ca. 13 kw svarende til knapt halvdelen af den injicerede effekt. Ekstraktionsflowet blev i løbet af den næste uge droslet markant ned til ca. 10 m 3 /t, hvilket gav 5 kw mere i nettotilførsel. Under hele forløbet blev der arbejdet med at regulere og tilpasse den hydrauliske kontrol i området. Generelt var det dog vanskeligt at skabe et fladt vandspejl over det forholdsvis lille testområde. Efter 40 dages opvarmning var det stadig ikke muligt at koge varmeboringerne tørre på midten (3 m.u.t.), ligesom der igen sås en stagnation i temperaturudbredelsen. Efter aftale med Frederiksborg Amt ændredes opsætningen af varmelegemerne. Der blev lavet en kreds med 3 af varmelegemerne. Med samme spænding, men mindre modstand betød dette en strøm på ca. 240 Amp, og derfor en afsat effekt på 2,1 kw pr. meter varmeboring. Det sidste varmelegeme blev forsynet selvstændigt med en spænding på 40 V, hvilket gav en strøm på ca. 190 Amp og dermed en afsat effekt på 1,1 kw pr. meter varmeboring. Da de 240 Amp var en klar overskridelse af de strømme systemet var lagt ud til blev varmelegemer og transformer fulgt nøje under forsøget. Den 24. 12.2006 blev der slukket for varmelegemerne.

RESULTATER I figur 5 og 6 er gengivet de målte temperaturer på varmeboringerne, samt de resulterende temperaturer i udvalgte punkter i testområdet. Figur 7 viser henholdsvis en opgørelse af den injicerede effekt og den resulterende netto energitilførsel beregnet med baggrund i den anvendte køleeffekt og varmetabet over terrænisoleringen. 140 HW1-3 500 HW1-6 HW2-3 HW2-6 130 HW3-3 HW4-3 400 Hw3-6 HW4-6 120 300 110 200 k 100 90 100 80 25-10 04-11 14-11 24-11 04-12 14-12 24-12 0 25-10 04-11 14-11 24-11 04-12 14-12 24-12 Figur 5. Temperatur ved varmeboringerne i hhv. 3 og 6 m.u.t. (ºC) 100 T3-5,5 T4-5,5 100 80 T5-5,5 T6-5,5 80 60 60 40 20 40 20 T3-2 T3-4 T4-2 T4-4 T5-2 T5-4 T6-2 T6-4 0 25-10 04-11 14-11 24-11 04-12 14-12 24-12 0 25-10 04-11 14-11 24-11 04-12 14-12 24-12 Figur 6. Temperaturer i testområdet i 5,5 m.u.t og i 2 samt 4 m.u.t. (ºC)

50 50.000 40 Effekt ind - Heater Effekt tab - VapourCap Effekt ud - Damp Effekt ud - Kondensat Tilført netto effekt 40.000 Energi ind - Heater Energitab - VapourCap Energi ud - Ekstraktion Tilført netto energi Energi flux (kw) 30 20 Akkumuleret energi (kwh) 30.000 20.000 10 10.000 0 0 20-10 30-10 09-11 19-11 29-11 09-12 19-12 29-12 08-01 20-10 30-10 09-11 19-11 29-11 09-12 19-12 29-12 08-01 Figur 7. Energiflux for pilottesten (t.v.) og akkumuleret energibetragtning (t.h.) Strømforbruget i løbet af testen fordeles med ca. 46.000 kwh til opvarmning, 4.200 kwh til køling, 3.000 kwh til SVE og hydraulisk kontrol samt 2.000 kwh til øvrige (lys, varme etc.) I løbet af testperioden blev der via vakuumekstraktion ved de 4 varmeboringer ekstraheret i alt 56 m 3 vand i form af kondenseret damp og medrevet vand. Der blev i perioden oppumpet 359 m 3 vand via den hydrauliske kontrol. Der blev fra opstart d. 25.10.2006 målt PID på den opsugede luft. Målingerne fluktuerede en del, men var stigende ca. 600 ppm d. 7.12.2006, hvorefter den igen var faldende. Baseret på de udførte kulrørsanalyser er beregnet en massefjernelse via luft på 31 kg PCE inde i testområdet. Massefjernelsen i kondensatet var 0,08 kg og i det oppumpede vand fra den hydrauliske kontrol 15,5 kg. Der blev udtaget intaktkerner d. 27.12.06. Det ene punkt blev udført umiddelbart ved siden af KB15, hvorfra der i forvejen var udtaget jordprøver. En prøve i overgangen mellem grus og ler 6 m under terræn viste et indhold af PCE på 130 mg/kg TS imod 2500 mg/kg i KB15 forud for testen. En prøve 4 m.u.t. havde et indhold på 18 mg/kg TS. Et andet punkt blev udført umiddelbart ved siden af T4 i midten af testområdet. I 3,5 m.u.t. blev påvist 13 mg PCE/kg TS og i 5,5 m.u.t 26 mg PCE/kg TS. DISKUSSION Som nævnt tidligere er ikke alle data færdiganalyseret på nuværende tidspunkt, men præsenteres i forbindelse med fremlæggelsen ved vintermødet. Pilottesten blev igangsat for dels at søge oplysninger til et fuldskala design samt at demonstrere at de mekaniske dele kan modstå de meget aggressive forhold, der udvikles ved at udsætte chlorerede forbindelser for temperaturer på op til 400 600 ºC. Af figur 5 fremgår at der hurtigt blev etableret en tør zone i bunden af varmeboringerne på ca. 200 ºC. Derimod steg temperaturen på midten 3 m.u.t. ikke over kogepunktstemperaturer på

ca. 100 ºC. Selv efter at effekten på de 3 varmelegemer HW2-HW4 blev hævet fra 1,2 kw/m til 2,1 kw/m afstedkom dette blot en stigning i bunden af varmeboringerne til 250-430 ºC. Midt på varmeleget sås stadig kogepunktstemperaturer. Mængden af tilstrømmende vand var altså større end den afsatte effekt kontinuert kunne fordampe. Grunden til at temperaturen steg væsentligt mere i bunden af varmeboringerne vurderes, at være at disse stod i ler og tilstrømningen af vand her var meget mindre. I figur 6 ses at det var muligt at opvarme de øverste 4 m til kogepunktstemperaturer hvorimod bunden 5,5 m.u.t. ikke oversteg 50 80 ºC. Da de øverste 4 m generelt består af mindre permeable aflejringer som tørv og ler skete der her ikke samme vandgennemstrømning og dermed køling. Netop for at undgå afkøling af gennemstrømmende vand i dybden blev der forsøgt holdt hydraulisk kontrol opstrøms området. Umiddelbart var det vanskeligt i det relativt lille testområde at kontrollere tilstrømningen og dels blev der fra ventilationsfiltrene ved varmeboringerne oppumpet 56 m 3 vand. Uden at data er færdiganalyseret er det klart at der er to primære årsager til at temperaturen ikke nåede kogepunktet i den nedre del af området. Afkølingen på grund af tilstrømmende vand var stor. Setuppet med 4 varmeboringer var spinkelt, da det opvarmede område havde stor overflade med varmetab i modsætning til et fuldskala projekt, hvor det opvarmede område typisk omkredses af et antal varmeboringer. For at imødegå ovenstående kunne man have suppleret med et antal varmeboringer eller, som det mest effektive, have stoppet vandtilførslen til testområdet ved eksempelvis spunsning. Ingen af disse tiltag lå dog hverken indenfor økonomi eller tidshorisont. Med hensyn til afprøvning af den mekaniske, elektriske og overvågningsmæssige del forløb pilotprojektet helt uden problemer. Der var i projektforløbet 100% drift på varmelegemerne, og selv ved belastning på 2,1 kw/m var der ingen problemer. Kølefladen måtte en enkelt gang renses grundet delvis tilstopning. Alle væsentlige parametre som temperaturer, flow, vakuum, belastning af varmelegemer, transformertemperaturer etc. blev overvåget on-line og opsamlet. KONKLUSION Testen har fremskaffet væsentlige designparametre til en eventuel fuldskala oprensning Vigtigst viste testen, at der skal etableres en effektiv håndtering af vandet i det sand/grus lag, der overlejrer leren for at sikre en tilstrækkelig opvarmning. Gennem projektet blev det demonstreret, at det er muligt at opvarme inhomogene aflejringer til kogepunktet. Testen viste, at metoden er robust og at installationerne kan modstå de korrosive påvirkninger. Funktionen af det etablerede ISTD anlæg blev gennemtestet. Testen blev gennemført med kontinuert drift og uden overraskelser.

REFERENCER /1/ http://www.terratherm.com/technology/patents.htm /2/ Soil core characterization strategy at DNAPL sites subjected to strong thermal or chemical remidiation (Megan Gaberell, Batelle, Columbus, Ohio, USA)